Comment la conductivité thermique d'un tube en acier revêtu de fluoropolymère-se compare-t-elle à celle du PTFE solide ?

Les tubes en PTFE solide sont chimiquement résistants mais mécaniquement faibles. Un mur épais est nécessaire pour pouvoir obtenir une pression nominale raisonnable. Cette épaisseur signifie une grande résistance thermique. Une bonne option est un tube en acier avec une petite couche d’un fluoropolymère chimiquement résistant à l’intérieur. Cette structure composite possède la solidité du métal et la résistance à la corrosion du plastique. D'un point de vue thermique, le mince revêtement en plastique constitue une barrière nettement plus petite que la paroi épaisse d'un tube en PTFE solide, et les performances globales de transfert de chaleur du tube revêtu peuvent être étonnamment meilleures. Dans cet article, nous passons en revue la comparaison entre la conductivité thermique d'un tube en acier doublé de fluoropolymère et celle du PTFE solide dans des applications réelles de transfert de chaleur.

Qu'est-ce que la résistance thermique dans les systèmes tubulaires
Concept général de résistance thermique
La résistance totale au passage de la chaleur à travers la paroi d’un tube est la somme des résistances des différentes couches. Pour un tube monocouche (PTFE massif) la résistance est liée à l'épaisseur de la paroi et inversement proportionnelle à la conductivité thermique du matériau. Pour un tube composite (acier et liner) la résistance de la coque en acier et du liner en fluoropolymère s'ajoutent.

Valeurs de conductivité thermique des matériaux
La conductivité thermique du PTFE solide est d'environ 0,25 W/(m·K) à température ambiante, faible-comparable à celle d'un isolant thermique.

L'acier au carbone a une conductivité thermique d'environ 45 à 50 W/(mK), soit environ 200 fois supérieure à celle du PTFE.

La conductivité thermique des revêtements en polymère fluoré (PTFE, PFA, FEP) est également faible, environ 0,20 à 0,25 W/(m·K).

La principale différence n’est pas la conductivité inhérente du plastique, mais l’épaisseur nécessaire à chaque conception.

Tube en PTFE massif à paroi épaisse- par rapport au tube en acier doublé
Tube en acier doublé de fluoropolymère-, plastique fin, métal conducteur
Pour un tube en acier revêtu, la coque en acier est un excellent conducteur et la pression nominale structurelle est entièrement prise en charge par la coque en acier. Le fluoropolymère, souvent du PTFE ou du PFA, doit seulement être chimiquement résistant, c'est pourquoi il est appliqué sous forme d'une fine couche, généralement de 0,5 à 1,0 mm d'épaisseur. L'épaisseur de la paroi en acier est conçue pour contenir la pression (généralement entre 2 et 5 mm), bien que la conductivité élevée de l'acier contribue relativement peu à la résistance thermique.

Pour un tube revêtu avec un revêtement en PTFE de 1,0 mm et une paroi en acier de 3,0 mm, la résistance thermique globale est :

Résistance de revêtement : 0.0010.25=0.004 m2K/W 0,250,001​=0.004 m2K/W

Résistance de l'acier : 0,00345≈0,00007 m2K/W450,003​≈0,00007 m2K/W (négligeable)

Résistance totale : ~0,00407 m 2 K/W

Cela représente environ un tiers de la résistance du tube PTFE massif de 3 mm (0,012 m²K/W). En pratique, la conductivité thermique du tube en acier revêtu de fluoropolymère, contrairement à celle du PTFE massif, démontre que le tube revêtu offre de bien meilleures performances globales de transfert de chaleur.

Il s'agit d'un composite intelligent : une fine peau de plastique thermiquement agile sur un squelette en acier robuste et conducteur. Le tube doublé bat le tube en plastique épais et solide dans la course thermique.

Implications pratiques pour la conception d'échangeurs de chaleur
Valeur U- améliorée et équipement plus compact
La résistance thermique globale du tube revêtu est généralement inférieure de 50 - 70 % à celle d'un tube en PTFE solide de pression nominale égale. Par conséquent, les échangeurs de chaleur fabriqués avec des tubes revêtus peuvent avoir une valeur U globale plus élevée. ceci est activé :

Surface de transfert de chaleur réduite pour une tâche similaire

Conceptions d'échangeurs plus compactes

Temps de séjour des fluides plus courts, ce qui peut être utile pour les flux de processus sensibles à la température

Utilisations typiques
Cette méthode est largement appliquée aux pipelines de grand diamètre (2 pouces et plus) et aux conteneurs tels que les réacteurs à revêtement, les réservoirs de stockage et les échangeurs de chaleur à calandre-et-à tubes dans des services très corrosifs tels que l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique chaud ou les solvants chlorés agressifs.

Considérations techniques critiques
Nous avons besoin d'un lien gratuit parfait et vide
Le revêtement en fluoropolymère doit se connecter parfaitement et sans vides-au substrat en acier. Tout espace ou délaminage fournit une couche d'air de conductivité thermique de seulement ~0,025 W/(m·K)-dix fois inférieure à celle du PTFE. Une lame d'air est un très mauvais isolant thermique. Cela permet également au fluide de procédé corrosif de pénétrer sous le revêtement, provoquant une corrosion sous la conduite. La corrosion cachée peut rapidement perforer la coque en acier de l’intérieur sans aucune preuve extérieure.

Risques de séparation du liner ou de piqûres
Le principal compromis entre le tube revêtu et le PTFE solide est le risque de défaillance mécanique du revêtement. Si le revêtement se décolle (se détache de l'acier) ou développe un trou d'épingle, le fluide corrosif entre en contact direct avec l'acier. Même un trou d’épingle peut provoquer une corrosion localisée et éventuellement une défaillance du tube. Par conséquent, les tubes revêtus nécessitent un contrôle de qualité strict lors de la fabrication- - généralement par des tests d'étincelles ou une détection des vacances à haute tension - et une inspection périodique en service.

Processus de fabrication
De nombreuses techniques sont appliquées aux revêtements en polymères fluorés :

Ajustement serré de la doublure lâche (non-collée)

Collage ou frittage (pour PTFE) .

Moulage par injection ou rotolining (dans le cas du PFA et du FEP)

Pour une transmission thermique maximale, les revêtements collés avec contact sur toute la surface sont préférés.

Conclusion : deux matériaux combinés pour de meilleures performances thermiques
Un tube en acier doublé de fluoropolymère constitue un compromis thermique intelligent, utilisant la résistance structurelle du métal pour permettre un revêtement résistant à la corrosion- beaucoup plus fin, et donc plus efficace thermiquement. Le plastique est un mauvais conducteur, mais la réduction drastique de l’épaisseur nécessaire – de plusieurs millimètres dans le PTFE massif à moins d’un millimètre dans un tube doublé – compense largement cela. La construction résultante est une structure composite qui présente des caractéristiques globales de transfert de chaleur plus élevées qu'un tube en PTFE solide à paroi épaisse, tout en préservant une excellente résistance chimique.

Souvent, l’option optimale de transfert de chaleur consiste à marier deux matériaux différents. Pour les tubes en acier revêtus de fluoropolymère-, la combinaison de la résistance et de la conductivité de l'acier avec l'inertie chimique du PTFE donne lieu à un composant meilleur que l'un ou l'autre matériau seul. Le compromis-les-risques potentiels de décollement ou de piqûre-est géré via une qualité de production rigoureuse et une inspection de routine. Grâce à ces garanties, le tube doublé offre une solution élégante et thermiquement efficace aux tâches corrosives de chauffage ou de refroidissement.